頁巖孔縫結(jié)構(gòu)及海相與陸相儲層特征差異研究

張洪李靖鄭慶龍支林杜巍

1.中國石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點實驗室；2.中石油華北油田公司采油工程研究院；3.中石化西南油氣分公司石油工程監(jiān)督中心；4.中石油華北油田公司勘探開發(fā)研究院

頁巖孔縫結(jié)構(gòu)及海相與陸相儲層特征差異研究

張洪1李靖1鄭慶龍2支林3杜巍4

1.中國石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點實驗室；2.中石油華北油田公司采油工程研究院；3.中石化西南油氣分公司石油工程監(jiān)督中心；4.中石油華北油田公司勘探開發(fā)研究院

為了深入分析海、陸相頁巖微觀孔隙的特征差異和含氣潛力，采用FEI Quanta 200F場發(fā)射環(huán)境掃描電鏡對頁巖巖樣進行了高真空掃描，建立了微觀儲層孔隙結(jié)構(gòu)體系。以掃描電鏡觀測的微觀孔隙孔徑大小、形態(tài)及連通性結(jié)果為基礎(chǔ)，參考前人對頁巖吸附氣、游離氣研究成果及吸附氣、游離氣特征差異，對不同孔隙的儲氣能力和對頁巖氣的滲濾擴散的控制作用進行了研究，將陸相頁巖和海相頁巖的微觀孔隙進行對比分析，總結(jié)海、陸相頁巖微觀孔隙的特征差異和含氣潛力。研究結(jié)果表明，頁巖氣6類儲層孔隙中，有機質(zhì)納米孔、黏土礦物粒間孔富集海、陸相頁巖吸附氣，古生物化石孔、巖石骨架礦物孔、黃鐵礦晶間溶蝕孔、微裂縫富集游離氣，改造后的巖石骨架礦物孔和微裂縫在頁巖氣的滲濾擴散方面起到主要作用。海相頁巖中有機質(zhì)和有機質(zhì)納米孔的含量遠高于陸相頁巖，而納米孔富集吸附氣；海相包含較多石英、長石及碳酸鹽巖礦物，使海相頁巖脆性礦物的含量高于陸相頁巖，更易壓裂，以上兩個因素導(dǎo)致海相頁巖的開發(fā)潛力大于陸相。

頁巖儲層；微觀結(jié)構(gòu)；富集機理；海相頁巖；陸相頁巖；差異性

頁巖孔隙是頁巖氣藏中氣體的儲存空間，頁巖儲層的結(jié)構(gòu)與孔隙特性不僅影響頁巖氣的儲集和吸附，而且還影響其運移和滲流能力，研究頁巖氣微觀孔隙結(jié)構(gòu)對于頁巖氣的勘探、開發(fā)、開采都有很重要的意義。中外學(xué)者借助聚焦離子束掃描電鏡（FIB/ SEM），結(jié)合透射電鏡、原子力顯微鏡、X射線衍射、壓汞實驗、核磁共振、掃描CT、氣體吸附實驗等對頁巖微觀孔隙系統(tǒng)開展了大量研究工作，發(fā)現(xiàn)頁巖孔隙主要存在于有機質(zhì)和黏土基質(zhì)中，有機質(zhì)以納米孔隙為主，而黏土基質(zhì)則以微米孔隙為主。有機質(zhì)中大量分布幾納米至幾百納米的孔隙，但以小于100 nm的納米級孔隙為主，總孔隙度可占有機質(zhì)含量的50%，其巨大的內(nèi)表面積構(gòu)成了頁巖孔隙的主體，同時也成為頁巖氣中吸附氣賦存的主要場所［1-4］。國內(nèi)學(xué)者研究了以川南龍馬溪組為代表的頁巖樣品，認(rèn)為納米主孔主要存在于有機質(zhì)中，介于2～40 nm，占孔隙總體積的88.39%，占比表面積的98.85%，納米孔提供了主要孔隙空間和比表面積，且其吸附力極強，構(gòu)成吸附氣存在的主要場所［5-8］。前人研究工作重點集中在孔隙的特點、孔徑及分布上，對其吸附、存儲及滲濾天然氣的具體作用研究則略顯不足。筆者在對海、陸相頁巖孔隙結(jié)構(gòu)掃描電鏡研究基礎(chǔ)上，結(jié)合前人認(rèn)識，闡述了頁巖儲層中不同孔隙和裂縫特點及對頁巖氣富集的控制作用，并對比了海、陸相頁巖不同儲層結(jié)構(gòu)的差異及對開發(fā)潛力的影響。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

Geological setting of the study area

選用6組頁巖巖樣，3組海相，3組陸相。巖樣QQ-1和QQ-11取自四川盆地東部的黔淺1井，YQ1-11取自重慶東南部的酉淺1井，屬于典型海相沉積環(huán)境，頁巖氣賦存層位為志留系龍馬溪組（圖1a）。YY33-2、YY34-2和YY34-5取自鄂爾多斯盆地伊陜斜坡南部的延頁34井，賦存層位為延長組7段，是典型的陸相沉積環(huán)境（圖1b）。

圖1 頁巖樣品鉆井位置Fig. 1 Drilling location of shale samples

對6組巖樣的表面進行了氬離子拋光處理，使得巖樣平滑易于觀察，然后采用FEI Quanta 200F場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡的高真空掃描，分別對其微觀形貌和結(jié)構(gòu)特征進行觀察，了解海相、陸相頁巖中孔隙類型和礦物含量等的異同。

2 頁巖孔隙體系

Pore systems in shale

根據(jù)孔隙發(fā)育位置、形態(tài)特征及成因分析，將頁巖儲層的孔隙劃分為有機質(zhì)納米孔隙、黏土礦物粒間孔、巖石骨架礦物孔、古生物化石孔、微裂縫和黃鐵礦晶間溶蝕孔這6類孔隙類型。

2.1 有機質(zhì)納米孔

Nanopore in organic matter

有機質(zhì)納米孔是有機質(zhì)受到溶蝕或在熱成熟階段烴類氣體排出，在有機質(zhì)內(nèi)形成的納米孔隙。頁巖氣賦存于黑色及暗色富含有機質(zhì)泥頁巖中，而有機質(zhì)納米孔隙主要分布在這些有機質(zhì)內(nèi)部，或者在與黃鐵礦顆粒周圍接觸的有機質(zhì)邊緣，呈圓形、橢圓形、不規(guī)則形狀及蜂窩狀，但大多以不規(guī)則的狀態(tài)分布，且在海相樣品中較為常見（圖2）?？讖酱笮〗橛?～950 nm之間，主要為150 nm左右。

圖2 海相頁巖巖樣有機質(zhì)納米孔電鏡照片F(xiàn)ig. 2 SEM photo of organic nanopores in marine shale samples

以掃描電鏡成果為依據(jù)，綜合中外學(xué)者觀點，對這種孔隙認(rèn)識如下：（1）有機質(zhì)納米孔直徑很小，以納米孔為主；（2）孔隙眾多，且具有很大的內(nèi)表面積，吸附能力極強；（3）有機質(zhì)本身所具有的親油性，使其吸附甲烷氣［10-11］；（4）海相頁巖中，有機質(zhì)孔擁有最大孔隙度［12］；（5）吸附氣在有機質(zhì)（干酪根）和黏土顆粒表面， 游離氣在粒間孔隙和天然裂隙中［13］。綜上所述，海相有機質(zhì)納米孔是海相頁巖吸附氣主要賦存場所。

2.2 黏土礦物粒間孔

Intergranular pore in clay mineral

黏土礦物粒間孔是泥巖沉積過程中形成，成巖作用后期的改造或者顆粒間膠結(jié)的不完全都會產(chǎn)生此類孔隙。黏土礦物多呈現(xiàn)不規(guī)則溶蝕狀（圖3a），孔隙直徑較大，屬于微米級，其在海相和陸相樣品黏土礦物中皆有分布，但在陸相中更加普遍（圖3b）。黏土礦物對甲烷的吸附能力也很強，成為吸附氣賦存的另一個重要儲集空間，陸相樣品中黏土含量高而有機質(zhì)含量低，吸附氣主要集中在黏土孔隙中［13］，因此，黏土礦物粒間孔在陸相頁巖吸附氣的富集方面起到了關(guān)鍵的作用。

圖3 黏土礦物粒間孔電鏡照片F(xiàn)ig. 3 SEM photo of intergranular pores in clay minerals

2.3 巖石骨架礦物孔

Mineral pore in rock skeleton

石英和長石等礦物顆粒的溶蝕所形成的孔隙為巖石骨架礦物孔，孔隙直徑較大，大多為微米級孔隙，分布比較零散，連通性極差（圖4a），可儲集游離氣，但對頁巖氣的滲濾擴散起到的作用不明顯。在巖石骨架石英、長石等脆性礦物含量高時，受到周圍壓力的擠壓作用，脆性礦物破裂，易形成天然裂縫（圖4b），或者通過人工改造（如壓裂等）可使其形成誘導(dǎo)裂縫，改變和提高其滲流能力，從而改善頁巖氣的滲濾擴散能力。該類孔隙在海、陸相頁巖中都有分布。

圖4 巖石骨架礦物孔電鏡照片F(xiàn)ig. 4 SEM photo of mineral pores in rock skeletons

2.4 古生物化石孔

Pore in paleontologic fossil

由于生物活動的影響，巖樣中會存在古生物化石，這些化石都是小型微化石，選擇性溶蝕作用導(dǎo)致在這些動物骨架中或體腔內(nèi)形成孔隙。微孔的形狀及大小受微化石結(jié)構(gòu)的影響，孔隙形狀各異，孔隙較大，有助于游離氣的儲集；生物骨架孔隙數(shù)量較多并且相互關(guān)聯(lián)，良好的孔隙連通性對于頁巖氣的滲濾擴散能起到很好的作用。但這樣的微化石數(shù)量較少，所以很少考慮古生物化石孔對于頁巖氣的富集作用。

2.5 微裂縫

Microfracture

海相頁巖和陸相頁巖的微裂縫均廣泛分布，一種在顆粒內(nèi)部（圖5a），另一種在礦物與有機物之間（圖5b）形成，微裂縫長度屬于微米級，寬度為納米級。礦物內(nèi)部的微裂縫一般比較平滑且比較直，這樣的裂縫一般是由于巖石受到外力作用，當(dāng)外力大于礦物所能承受的力時，礦物內(nèi)部薄弱結(jié)構(gòu)面或礦物的解理面等發(fā)生斷裂，產(chǎn)生顆粒內(nèi)的微裂縫。礦物與有機物之間的裂縫，其形狀和大小都受到邊界條件控制，形成的原因可能有2種：一是其受到強烈的外力時，礦物與有機質(zhì)交界處便成為薄弱面，有機質(zhì)與礦物沿此薄弱面分離，形成了微裂縫，該類裂縫邊緣細膩（圖5c），另一種可能是由于酸液侵蝕，在有機質(zhì)與礦物交界處發(fā)生溶蝕，產(chǎn)生了微裂縫，該類裂縫邊緣粗糙（圖5d）。

掃描電鏡觀察結(jié)果顯示海相頁巖和陸相頁巖的微裂縫有顯著差異，海相頁巖的微裂縫通常不規(guī)則，成群成帶出現(xiàn)，不受礦物界線控制，可切穿礦物，形成過程中構(gòu)造力起了決定性作用，屬于外生裂隙（圖5a，b，c）。陸相頁巖的微裂縫則多在顆粒內(nèi)部或是顆粒交界處，受礦物邊界限制，形態(tài)規(guī)則，多為成巖收縮縫或是方解石解理縫，屬于內(nèi)生裂隙（圖5d，e）［11］。

微裂縫不僅是最常見的一種儲集空間類型，也是重要的滲流通道。裂縫達到微米級別，孔隙較大，對于游離氣的賦存起到關(guān)鍵作用。同時由于頁巖氣儲層具有基質(zhì)滲透率小、滲流阻力大的特點，微裂縫的作用更體現(xiàn)在頁巖氣的滲濾擴散方面，處于碎屑顆粒間的微裂縫，使顆粒內(nèi)部的小孔隙與微裂縫連接，形成了納米孔和微米孔間的聯(lián)絡(luò)，形成了大的孔隙網(wǎng)絡(luò)，小孔中的氣通過孔隙網(wǎng)絡(luò)到達裂縫，有利于頁巖氣開發(fā)。因此，微裂縫不僅在油氣賦存方面有作用，而且降低了運移阻力，在頁巖氣的滲濾擴散方面起到了很大的作用。

2.6 黃鐵礦晶間溶蝕孔

Intercrystalline dissolved pores in pyrite

黃鐵礦內(nèi)部晶體顆粒間由于溶蝕作用形成了很多微米級孔隙，而且所含孔隙數(shù)量大，形狀規(guī)則（圖6a、b）。黃鐵礦晶體間孔隙成因可能有2種，一是晶體本身遭到溶蝕形成孔隙，二是中間填充的礦物質(zhì)或有機物等被溶蝕形成孔隙，所以黃鐵礦內(nèi)部的孔隙數(shù)量和尺寸與填充在其內(nèi)部物質(zhì)有關(guān)。該類孔隙多出現(xiàn)在陸相頁巖中，對于游離氣的富集能起到很大的作用。

圖5 微裂縫電鏡照片F(xiàn)ig. 5 SEM photo of microfractures

圖6 和孔隙相連的微裂縫電鏡照片（海相，巖樣YQ-1）Fig. 6 SEM photo of microfractures connected with pores (sample YQ-1, marine)

圖7 黃鐵礦晶間溶蝕孔電鏡照片（陸相，巖樣YY33-2）Fig. 7 SEM photo of intercrystalline dissolved pores in pyrite (sample YY33-2, continental)

3 海相和陸相頁巖儲層特征的差異分析

Characteristic differences between marine and continental shale reservoirs

3.1 礦物含量差別

Differences of mineral content

前人對研究區(qū)海相頁巖巖樣礦物成分分析結(jié)果表明［12］，脆性礦物為主要礦物成分，其次為黏土礦物。石英、長石、白云石等脆性較大的礦物含量介于36.8%～86.7%之間，總含量超過60%，平均66.62%，其中石英含量最高，平均值超過40%，長石次之，平均值14.5%左右，主要以斜長石為主，白云石和方解石為碳酸鹽巖的主要礦物組成成分。黏土礦物含量介于12.1%～56.5%之間，平均值29%左右。

前人對研究區(qū)陸相頁巖巖樣礦物成分分析結(jié)果表明［13］，主要礦物為黏土礦物和石英，脆性礦物含量不高，石英成分含量介于18%～40%之間，平均值29.7%，碳酸鹽巖礦物和長石的含量較少；黏土礦物的含量介于20%～66%之間，平均含量46.1%［13］。陸相頁巖中還包括部分黃鐵礦，含量不高，但在本次研究的3塊陸相樣品中都存在該礦物，說明其在陸相頁巖中廣泛分布。

海相頁巖礦物中脆性礦物的含量較高，先期容易形成天然裂縫，對于頁巖氣的儲集存在一定的影響，但在后期的改造中易形成誘導(dǎo)裂縫，對于頁巖氣的滲濾擴散有益。陸相頁巖礦物中脆性礦物較少，不容易形成裂縫，先期對于頁巖氣的儲存有一定的益處，但是后期開采頁巖氣時，對頁巖氣的滲濾擴散不利。陸相黏土礦物含量較高，造成其具有更多的黏土礦物粒間孔，大量的吸附氣可以賦存其中。

3.2 孔隙差別

Differences of pores

結(jié)合上述研究成果和前人論述，海陸相孔隙差別表現(xiàn)在：（1）類型不同，海相頁巖有機質(zhì)納米孔提供了最大孔隙度，因此有機質(zhì)孔成為其主要孔隙；陸相頁巖則以黏土礦物粒間孔和方解石晶間孔等無機孔為主。（2）大小和容量不同，海相頁巖孔徑更為微小，多為納米級別，但數(shù)量眾多，內(nèi)表面積和孔容巨大，可以容納更多吸附氣體；陸相孔隙，如黏土礦物粒間孔和方解石晶間孔多為微米級，孔容有限，吸附能力不及海相。（3）微裂縫不同，海相頁巖通常受到多期構(gòu)造作用，發(fā)育較多構(gòu)造裂縫；中國陸相頁巖，如鄂爾多斯盆地頁巖，構(gòu)造作用較弱，發(fā)育成巖收縮縫和方解石解理縫等內(nèi)生裂縫［11］。

3.3 勘探開發(fā)潛力的差別

Differences of exploration and development potential

從宏觀來說，我國海相頁巖氣具有分布面積廣、層位穩(wěn)定、厚度大、有機碳含量高的特點，對于勘探、開發(fā)及開采來說，具有的條件較優(yōu)越；我國陸相頁巖氣具有厚度大、時代新、熱成熟度低和生排烴歷史簡單等特點，同時具有分布局限、埋藏普遍較深、脆性礦物含量低、黏土含量高等特點，成藏機理和成藏條件特殊不利于后期改造。

從微觀來說，海相有機質(zhì)含量較高，有機質(zhì)中納米孔隙含量也高，孔隙的發(fā)育比較好，對于游離氣和吸附氣的賦存都提供了良好的空間，陸相頁巖有機質(zhì)含量少，孔隙含量也少，所能存儲的吸附氣含量會相對較少，其吸附氣主要儲集在黏土礦物中，而黏土礦物粒間孔儲集吸附氣的能力不及有機質(zhì)?？紤]頁巖氣的滲濾方面，海相中脆性礦物含量較高，成巖過程中由于深海壓力大，容易造成天然裂縫，后天的改造可以形成誘導(dǎo)裂縫，導(dǎo)致裂縫較為發(fā)育，為頁巖氣的滲濾擴散即運移創(chuàng)造了有利條件，陸相頁巖脆性礦物含量較低，后天壓裂改造有難度。

因此，不論從宏觀還是微觀來說，海相頁巖氣的開發(fā)潛力明顯大于陸相頁巖氣。

4 結(jié)論

Conclusions

（1）頁巖6類微觀孔隙中，有機質(zhì)納米孔隙與黏土礦物粒間孔富集吸附氣，巖石骨架礦物孔、古生物化石孔及黃鐵礦晶間孔富集游離氣，微裂縫既富集游離氣，同時也是連接納米孔隙與微米孔隙的橋梁，控制頁巖氣的滲濾擴散。

（2）海相頁巖中有機質(zhì)含量高，有機質(zhì)中納米孔隙數(shù)量多，而納米孔具有大的孔容和內(nèi)表面積，加上有機質(zhì)特有親油性，海相頁巖中吸附氣主要富集在有機質(zhì)納米孔中。陸相頁巖中有機質(zhì)含量少，有機質(zhì)納米孔隙數(shù)量更少，黏土含量高造成其含有更多的黏土礦物粒間孔，吸附氣主要富集在黏土礦物粒間孔中。

（3）海相頁巖孔隙特點是以有機孔為主，孔徑微小而吸附能力強，多為構(gòu)造裂隙；陸相頁巖孔隙特點是以無機孔為主，孔徑較大但吸附力較弱，多為內(nèi)生裂隙。

（4）海相頁巖中有機質(zhì)和有機質(zhì)納米孔隙的含量遠大于陸相頁巖，其包含吸附氣的含量大于陸相頁巖；海相中石英、長石及碳酸鹽巖礦物的含量高于陸相頁巖，這樣其脆性礦物的含量大于陸相，使得海相頁巖更容易壓裂，導(dǎo)致其對頁巖氣的滲濾擴散作用優(yōu)于陸相，這兩個因素決定了海相頁巖的開發(fā)潛力明顯大于陸相。

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（修改稿收到日期 2016-12-12）

〔編輯 朱 偉〕

Studies on the structures of pores and fractures in shale reservoirs and the characteristic differences between marine and continental shale reservoirs

ZHANG Hong1, LI Jing1, ZHENG Qinglong2, ZHI Lin3, DU Wei4

1. Key Laboratory of Petroleum Engineering Education Ministry, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China; 2. Petroleum Production Engineering Research Institute, CNPC Huabei Oilfield Company, Renqiu 062552, Hebei, China; 3. Petroleum Engineering Supervision Center, SINOPEC Southwest Oil & Gas Company, Deyang 61800, Sichuan, China; 4. Exploration and Development Research Institute, CNPC Huabei Oilfield Company, Renqiu 062552, Hebei, China

In order to analyze deeply the characteristic differences and gas bearing potential of microscopic pores in marine and continental shale, high vacuum scanning was carried out on shale samples by using FEI Quanta 200F field emission environmental scanning electron microscope (FE-ESEM), and the structural systems of microscopic reservoirs pores were established. Then, the gas storage capacity of different pores and the their controlling effect on the seepage and diffusion of shale gas were investigated based on the size, morphology and connectivity of microscopic pores observed through SEM, combined with the former research results of shale adsorbed gas and free gas and the characteristic differences between adsorbed gas and free gas. The microscopic pores in marine and continental shale were compared. And finally, the characteristic differences and gas bearing potential of microscopic pores in marine and continen-tal shale were summarized. It is indicated that among 6 types of pores in shale gas reservoirs, adsorbed gas is enriched in the organic nanopores and the intergranular pores in clay minerals, and free gas is enriched in the pores in paleontologic fossils, mineral pores in rock skeletons, the intercrystalline dissolved pores in pyrite and the microfractures. The reworked mineral pores in rock skeletons and microfractures play an important role in the seepage and diffusion of shale gas. The content of organic matters and organic nanopores in marine shale is much higher than that in continental shale, and nanopores are enriched with adsorbed gas. There is more quartz, feldspar and carbonate minerals in marine shale, so the content of fragile minerals in marine shale is higher than in continental shale, and consequently marine shale can be fractured easily. Based on above-mentioned two factors, therefore, the development potential of marine shale is higher than that of continental shale.

shale reservoir; microscopic structure; enrichment mechanism; marine shale; continental shale; difference

張洪，李靖，鄭慶龍，支林，杜巍.頁巖孔縫結(jié)構(gòu)及海相與陸相儲層特征差異研究［J］ .石油鉆采工藝，2017，39（1）：1-6.

P618.13

A

1000 – 7393（ 2017 ） 01 – 0001 – 06

10.13639/j.odpt.2017.01.001

: ZHANG Hong, LI Jing, ZHENG Qinglong, ZHI Lin, DU Wei. Studies on the structures of pores and fractures in shale reservoirs and the characteristic differences between marine and continental shale reservoirs［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(1): 1-6.

國家自然科學(xué)基金重大項目“頁巖油氣高效開發(fā)基礎(chǔ)理論”（編號：51490654）。

張洪（1970-），2002年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源系，獲博士學(xué)位，現(xiàn)從事非常規(guī)油氣勘探開發(fā)、三次采油等教學(xué)和科研工作，講師。通訊地址：（102249）北京市昌平區(qū)府學(xué)路18號中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院。E-mail: zhang_ho_2002@ sina.com